Nowa metoda drukowania 3D pozwala badaczom z Northwestern szybko wydrukować tanie, niestandardowe soczewki 3D

Naukowcy wykorzystali swoją nową metodę do drukowania trójwymiarowych tanich, wysokiej jakości obiektywów o wymiarach 5 mm i 5 mm średnicy. Indywidualny komponent optyczny, który zajmuje tylko cztery godziny na drukowanie, może korygować widzenie soczewki kontaktowe i soczewki optyczne, a zespół wierzy, że pewnego dnia można go nawet wykorzystać do przekształcenia smartfona w mikroskop.

Cheng Sun, profesor inżynierii mechanicznej na uniwersytecie, powiedział: "Do tej pory polegaliśmy głównie na czasochłonnym i kosztownym procesie polerowania soczewek. Dzięki drukowaniu 3D masz teraz swobodę szybkiego projektowania i dostosowywania soczewek. "

Proces drukowania 3D opracowany w laboratorium firmy Sun różni się od wysokiej jakości mikroskopijnych obiektywów 3D przez Nanoscribe w zeszłym roku. Niemiecka firma opracowała własną drukarkę 3D, wysoce precyzyjny system femto-sekundowy z precyzją 150 nm. Ale podczas gdy buduje soczewki w sposób punkt po punkcie, Northwestern stosuje technikę nakładania warstw.

"Jest to czasochłonny proces. To jest ich ograniczenie. Chcieliśmy stworzyć coś porównywalnego, ale szybszego i lepszej jakości "- wyjaśnia Xiangfan Chen, doktorant w dziedzinie inżynierii mechanicznej.

Firma Sun opisała proces produkcji soczewki za pomocą technologii drukowania 3D jako podobnej do prowadzenia projektor filmowy.

"Zamiast wyświetlania jednej klatki, jednego obrazu po drugim nakładamy jedną ramkę na drugą. To tak, jakby grać w film w pionie ", powiedział Sun.

" Zdaliśmy sobie sprawę, że warstwy na sobie nawzajem tworzą chropowatość powierzchni "- wyjaśnił Sun. "Grubość warstwy wynosi zwykle 5 mikronów, podczas gdy długość fali światła widzialnego wynosi około 0,5 mikrona. Tworzy to optycznie szorstką powierzchnię. To było wąskie gardło. Chropowatość uczyniła soczewkę niezdolną do uzyskania wyraźnej optyki. "

Zespół zastanawiał się, czy powierzchnia obiektywu może być bardziej płynna, bez konieczności zmniejszania prędkości drukowania, i przystąpić do rozwiązania problemu.

"Jeśli chcesz zrobić soczewkę, chcesz zrobić to za dwie godziny lub dwa tygodnie? Jesteśmy bardzo podekscytowani tym obiektywem ", powiedział Sun.

Niedawno opublikowali artykuł o swoich odkryciach, zatytułowany" Szybkie drukowanie 3D soczewek asymetrycznych o wymiarach milimetra z asymetrycznym rozmiarze powierzchni pod 7 nm, "W czasopiśmie Advanced Materials; współautorami są Chen, Wenzhong Liu z Opticent Health, Biqin Dong, Jongwoo Lee, Henry Oliver T. Ware, Hao F.Zhang i Sun.

Ich praca była wspierana przez darowiznę z Fundacji Farley i dwóch grantów National Science Foundation.

Streszczenie brzmi: "Postępy w trójwymiarowym (3D) technologia druku może potencjalnie przekształcić produkcję dostosowanych elementów optycznych, które obecnie są w dużym stopniu oparte na czasochłonnych i kosztownych procesach polerowania i szlifowania. Jednak nieodłączna relacja dokładności prędkości poważnie ogranicza praktyczne zastosowania technologii druku 3D w dziedzinie optycznej. W celu rozwiązania tego problemu przedstawiono nową metodę cechującą się znacznie większą szybkością wytwarzania, wynoszącą 24,54 mm3 h-1, bez uszczerbku dla dokładności wytwarzania wymaganej do drukowania 3D na niestandardowych komponentach optycznych. Szybki proces drukowania 3D z precyzją w skali subwoofer (poniżej 5 μm) i głęboką powierzchnią podłużną (sub 7 nm), chropowatością powierzchni za pomocą procesu mikro-stereolitografii projekcyjnej i synergicznymi efektami fotopolimeryzacji w skali szarości i równowagą łąkotki po utwardzeniu metody zostały zademonstrowane. Wykonanie niestandardowej soczewki asferycznej o wysokości 5 mm i średnicy 3 mm odbywa się w ciągu czterech godzin. Trójwymiarowa soczewka asferyczna z nadrukiem 3D wykazuje maksymalną rozdzielczość obrazowania wynoszącą 373,2 lp mm-1 przy zniekształceniu małego pola mniejszym niż 0,13% w polu widzenia 2 mm. Ten obiektyw jest przymocowany do aparatu telefonu komórkowego i kolorowych drobnych szczegółów skrzydła ćmy zachodzącego słońca, a miejsce na elewrze wągacza zostaje złapane. "

Zespół stworzył dwuetapowy proces nakładania warstw i polerowania rozwiązać wyzwanie szybkiego, płynnego drukowania 3D.

Sun wyjaśnił: "Najpierw użyliśmy obrazów w skali szarości, aby stworzyć więcej przejść między etapami. Następnie pokryliśmy powierzchnię tą samą żywicą, która uległa fotoutwardzeniu. To następnie tworzy menisk, który dodatkowo wygładza powierzchnię. "

W rezultacie powstał przezroczysty obiektyw o gładkiej powierzchni, nadal drukowany w 3D z dużą szybkością. W badaniach uwzględniono obrazy, takie jak skrzydełka ćmy zachodzącego słońca lub miejsce na przedzierzu węża, wykonane przy użyciu obiektywu podłączonego do iPhone'a 6S.

Chen powiedział: "Musiałem spróbować ponad 100 razy Zrób to dobrze. "

Według firmy Sun, ich nowa metoda może zaowocować wieloma urządzeniami o wielu zastosowaniach w inżynierii biomedycznej i optyce, takich jak tworzenie niestandardowych soczewek kontaktowych dla osób ze zniekształconą rogówką cierpiącą na keratoconus CD3D .

"Soczewka kontaktowa ma dostosowaną powierzchnię, dopasowując ją do kształtu rogówki pacjenta," Sun powiedział.

Zespół będzie teraz próbował drukować większe obiektywy 3D i zbadać, jak zintegrować je z urządzeniami medycznymi, takimi jak mikroskopy. Następnie mogą zostać wykorzystane w słabo rozwiniętych obszarach do obrazowania diagnostycznego.

Dong, post-doktorant w dziedzinie inżynierii biomedycznej i mechanicznej, powiedział: "Te soczewki mogą pomóc wykryć jakąś chorobę genetyczną lub raka." p>